DE19701904C2 - Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der Oberflächenfeuchte mit Hilfe eines kombinierten Verfahrens - Google Patents

Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der Oberflächenfeuchte mit Hilfe eines kombinierten Verfahrens

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Abstract

Um eine Vorrichtung zur quanitativen Bestimmung der Oberflächenfeuchtigkeit von Proben, insbesondere Hygieneartikeln, deren flüssiges Prüfmedium eine Harnersatz-Lösung mit hoher Eigenleitfähigkeit sein kann und die eine Strahlungsquelle unter 45 DEG und einen Strahlungsempfänger II unter 90 DEG zu einer Meßebene angeordnet sowie eine Einrichtung, die die Auswertung von erzielten Signalen zuläßt, aufweist, derart zu verbessern, daß die zuverlässige Bestimmung von Oberflächenfeuchtigkeiten ermöglicht wird, wird vorgeschlagen, daß die Strahlungsquelle die Probe breitbandig im infraroten Bereich bestrahlt und daß die Vorrichtung zudem einen Strahlungsempfänger I, der unter 45 DEG zur Meßebene und unter 90 DEG zur Strahlungsquelle angeordnet ist, wobei der Strahlungsempfänger I und der Strahlungsempfänger II Bestandteil einer Einrichtung sind, die die von der Probe remittierte Strahlung schmalbandig bei zwei verschiedenen Absorptionsmaxima von Wasser erfaßt, und eine Einrichtung, die die elektrolytische Leitfähigkeit an der Probenoberfläche, parallel zu der IR-Messung, über die Messung eines Sinus-Wechselstroms erfaßt, aufweist.

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfeuchtigkeiten an Oberflächen von insbesondere Hygieneartikeln (wie Babywindeln, Inkontinenzwindeln, Kran­ kenunterlagen, Damenbinden, Vlies- und Faserstoffen, Textilien usf.) mit unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten (wie sie z. B. bei verschiedenen Faserarten oder Texturen auftreten) mit­ tels eines kombinierten Verfahrens aus zwei gekoppelten IR- Messungen und einer Leitfähigkeitsmessung. Dies geschieht unter Ausnutzung der Gegebenheit, daß Feuchteprüfungen an Hygiene­ artikeln in der Regel mit salz- (ionen-) haltigen Harnersatzlösun­ gen durchgeführt werden.
Stand der Technik
Für die Bestimmung der Feuchtigkeit von Oberflächen sind eine Vielzahl von apparativen Vorrichtungen und Verfahren bekannt, wie zum Beispiel:
  • - die taktile Prüfung der feuchten Oberfläche, durch eine prüfende Person,
  • - die "wet-back"-Methode, die mit Hilfe von definierten Filter- oder Vliespapieren durch Kontakt mit der feuchten Oberfläche eine Rückfeuchtung der Prüfpapiere erzeugt und durch deren an­ schließende Wägung eine Beurteilung erlaubt,
  • - die Messung der Kapazität von Kondensatoren, deren Dielektri­ kum die feuchte Oberfläche ist,
  • - die Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit auf feuchten Ober­ flächen
  • - die Messung der Intensität von infraroter, an dieser Oberfläche reflektierter oder gestreuter Strahlung. Die Intensität der Strah­ lung wird durch Absorbtion in dem in der Oberfläche vorhandenen Wasser abgeschwächt,
  • - die Messung des Streulichtes von Glaskontaktflächen an der be­ treffenden feuchten Oberfläche (Europa-Patent Nr. 0 312 919 B1) mit ihren jeweiligen (ggf. elektronischen) Auswertevorrichtungen. Bei diesem Verfahren wird durch eine Kathetenfläche eines Dove- Prismas Licht an der Hypothenusenfläche totalreflektiert und nach verlassen des Prismas durch die andere Kathetenfläche in einer Lichtfalle aufgefangen. Falls die Hypothenusenfläche mit Fasern z. B. eines Vlieses u. ä. in Kontakt steht, findet an den Kontaktstel­ len keine Totalreflektion mehr statt und ein Teil des Lichtes ge­ langt in die oberste Schicht des Vlieses, wo es gestreut wird. Der zur Hypothenusenfläche weitgehend senkrechte Streulichtanteil gelangt in das Prisma zurück und wird in einem über der Fläche angeordneten Detektor gemessen. Da ein größerer Feuchtegehalt der Fasern eine größere Kontaktfläche an dem Prisma zur Folge hat, wird so auch eine größere Streulichtintensität hervorgerufen.
Nachteile des Standes der Technik
Als Nachteil der taktilen Prüfung kann vor allem die starke Ab­ hängigkeit der erzielten Werte von allg. der prüfenden Person und von ihrer Meß-Übung gelten.
Die "wet-back"-Methode ist u. a. von der Gleichmäßigkeit der Prüfpapiere in z. B. Dicke, Feuchtigkeitsaufnahmevermögen oder ihrer Kapillarität abhängig. Darüberhinaus spielt auch hier die Erfahrenheit der prüfenden Person eine wichtige Rolle.
Für die Messung von Oberflächenfeuchtigkeiten räumlich ausge­ dehnter Gebilde wie es z. B. feuchte und gequollene Babywindeln darstellen, kann es einen Nachteil bedeuten, daß das elektrische Feld zwischen den auf der Oberfläche aufliegenden Kondensa­ torplatten stark gekrümmt ist und somit eine deutliche Tiefenaus­ dehnung erfährt. Auf diese Weise werden auch Schichten bei der Messung erfaßt, deren Anteil am Meßergebnis unerwünscht ist.
Als Nachteil der Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit als alleiniger Bestimmungsmethode, müssen die starke Abhängigkeit des Meßergebnisses von der Größe der Meßelektrodenkontaktflä­ che zu dem ionenhaltigen flüssigen Medium (der Feuchte), die starke Abhängigkeit von der Ionenkonzentration des Mediums und Verfälschungen aufgrund Ionenkonzentrationsänderungen durch Ionenaustauscherwirksamkeit des Festkörpers der zu prüfenden Oberfläche gelten.
Ionenaustauscherwirksamkeit des Festkörpers der zu prüfenden Oberfläche gelten.
Der Nachteil von Infrarot-Methoden, ist allg. die Störempfindlich­ keit gegenüber Substanzen, die ebenso wie Wasser OH-Gruppen enthalten und daher in ähnlichen Bereichen wie Wasser absorbie­ ren können. Dieser Nachteil kann z. T. durch die Anwendung von (Vielkanal-) Spektroskopie ausgeglichen werden, muß dann aber mit einem erheblich größeren technischen und finanziellen Auf­ wand erkauft werden.
Nach der Streulicht-Methode (EP 0312919 B1, s. o.) wird der Anteil derjenigen Fasern erfaßt, der aufgrund seiner Feuchte in direkten Kontakt mit der Meß-Glasfläche treten kann und so einen Streu­ lichtanteil an Stelle von Totalreflektion an der betr. Glasfläche bewirkt. Dieser Streulichtanteil hängt aber nicht nur von dem An­ teil der berührenden Fasern und ihrem Wassergehalt ab, sondern auch davon, wie stark die Glasfläche auf die Fasern gedrückt wird; ein erhöhter Kontaktanteil führt dabei zu einem erhöhten Streulichtanteil, ohne daß deshalb die Feuchte größer wäre. Un­ terschiedliche Oberflächen-Texturen können in diesem Sinne den Kontaktanteil ebenfalls drastisch verändern.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuverlässige Be­ stimmung von Oberflächenfeuchtigkeiten zu ermöglichen. Es soll ein gegen Meßunsicherheiten unempfindliches Meß-System er­ stellt werden, daß hinsichtlich unterschiedlicher Oberflächenbe­ schaffenheit in Bezug auf Faserart oder Textur und unter Vermei­ dung bekannter Meßunsicherheiten, wie sie bei der Verwendung der einzelnen im Stand der Technik aufgezählten Verfahren auf­ treten können, arbeitet.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 10 der des Anspruchs 2.
  • a) Der Infrarot-Teil der Meßvorrichtung enthält, wie in Bild 1 darge­ stellt, in einem Gehäuse ((12) Meßkopf) eine breitbandige Infra­ rot-Lichtquelle (1) deren Lichtstrahl durch eine Saphirlinse (2) an­ nähernd parallelisiert wird und unter einem Winkel von 45° auf die interessierende feuchte Oberfläche (3) gerichtet wird. Es entsteht hierbei ein bestrahlter "Meßfleck" von ca. 15 mm Durchmes­ ser.
    Die remittierte Strahlung von der feuchten Oberfläche wird über zwei strahlungsempfindliche Widerstände auf Bleisulfid-(PbS)- Basis ((4) und (5)) aufgenommen. Die Eintrittsöffnungen der PbS- Sensoren bestehen aus metallbedampften Saphirtenstern und dienen als schmalbandige Bandpass-Filter mit einer Halbwerts- Bandbreite von ca. 4 nm. Der erste PbS-Sensor (4) ist mit einem Filter (6) für eine Peakwellenlänge von 2,95 µm, entsprechend ei­ ner in diesem Bereich gelegenen ausgeprägten Wasser- Absorbtionsbande ausgerüstet. Die Strahlung für diesen Sensor wird von einer Kollimatorlinse (7) aus Saphir gesammelt.
    Das von der feuchten Oberfläche remittierte Licht wird von dem durch die Teile (4), (6), (7) und einem Aufnahmegehäuse (8) ge­ bildeten Strahlungsempfänger I unter einem Winkel von 45° zur Oberfläche und 90° zur Lichtquelle aufgenommen. Der zweite PbS-Sensor (5) ist mit einem Filter (9) für eine Peakwellenlänge von 1,94 µm, entsprechend einer weiteren ausgeprägten Wasser- Absorbtionsbande in diesem Wellenlängenbereich ausgerüstet. Die Strahlung für diesen Sensor wird von einer Kollimatorlin­ se (10) aus Quarzglas gesammelt. Das von der feuchten Oberflä­ che remittierte Licht wird von dem durch die Teile (5), (9), (10) und einem Aufnahmegehäuse (11) gebildeten Strahlungsempfän­ ger II unter einem Winkel von 90° zur Oberfläche und 45° zur Lichtquelle aufgenommen.
    Die Widerstandswerte der PbS-Sensoren werden über (Wheatstone'sche) Brückenschaltungen umgeformt. Der Abgriff aus den Meßbrücken erfolgt durch hochohmige Differenzverstär­ ker, die in herkömmlicher Weise ein feuchteabhängiges Span­ nungssignal bilden.
    Die Aufnahmegehäuse (8) und (11) werden wegen des guten Wärmekontaktes zu den PbS-Sensoren aus Aluminium gefertigt. Sie tragen je einen Halbleiter-Temperaturfühler als Meß- Grundlage für eine Temperaturkompensation nach allgemein be­ kannten Methoden. Eine derartige Kompensation ist notwendig, da der ohmsche Widerstand strahlungsempfindlicher Widerstände auf Bleisulfid-(PbS)-Basis sehr temperaturabhängig ist.
  • b) Der Leitfähigkeits-Teil der Meßvorrichtung besteht, wie in Bild 1 dargestellt, aus zwei Elektroden (13) und (14), die aus rostfreiem Edelstahl (1.4301) gefertigt sind und die im Gehäuse (12) so an­ gebracht werden, daß sie die feuchte Oberfläche (3) während des Meßvorgangs in der Nähe des Meßflecks berühren. Die Elektro­ den bilden eine Leitfähigkeitsmeßstrecke. Die leitfähige Elektro­ lyt-Lösung die zur Funktion der Meßstrecke nötig ist, wird durch den Einsatz von standardisierter Harnersatz-Lösung (0,9%ige Na­ triumchlorid-Lösung) als Prüfflüssigkeit gegeben.
    Die Leitfähigkeitsmeßstrecke wird mit einem Sinus- Wechselstromsignal von ca. 1000 Hz betrieben, um Polarisati­ onserscheinungen an den Elektroden zu vermeiden. Das Sinus- Signal wird über das bekannte Prinzip eines Wien-Brücken- Oszillators bereitgestellt. Der Meßwechselstrom wird in herkömm­ licher Weise in einen Gleichspannungswert übersetzt, der dann ein Maß für die Leitfähigkeit und damit für die Feuchte der ge­ prüften Oberfläche ist.
  • c) Die feuchteabhängigen Spannungswerte der Meß- und Kompen­ sationsschaltungen werden mit Hilfe eines Mikrokontrollers ge­ speichert und für die Weitergabe an einen PC aufbereitet. Danach stehen die digitalisierten Daten an einer seriellen Schnittstelle zur Verfügung.
Alternativen der Bauausführung
Eine vorteilhafte Alternative zur drastischen Verringerung von Temperatureffekten an den PbS-Sensoren ist der Einsatz von Peltierelementen. Sie werden jeweils in gutem Wärmekontakt mit den Aufnahmegehäusen (8) und (11) montiert. Bauteile (vorzugsweise aus Metall) wie die beschriebenen Strahlungsemp­ fänger, können mit Hilfe derartiger Peltierelemente sowohl be­ heizt als auch gekühlt werden. Mit herkömmlichen Regelschaltun­ gen kann eine Temperaturkonstanz von deutlich besser als 0,1°C erreicht werden.
Weiterhin können Temperatureffekte durch eine symmetrische Anordnung der Strahlungsquelle vermindert werden. Die Strah­ lungsquelle wird in diesem Fall unter 90° zur Meßebene angeord­ net. Der Strahlungsempfänger II unter 45° zur Meßebene und unter 45° zur Strahlungsquelle angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Der Hauptvorteil der hier beschriebenen Anordnung liegt in der gegenseitigen Stützung und Kontrolle, die sich die beiden vonein­ ander unabhängigen Meßprinzipien (IR-Messung und Leitfähig­ keits-Messung) geben können. Nur wenn beide Methoden die An­ wesenheit von Wasser bestätigen, dies insbesondere von allen drei Meßkanälen gleichzeitig getan wird, sollte von Wasser als meßwertverursachendem Agens ausgegangen werden.
Die hier beschriebene Anordnung für die Bestimmung der Ober­ flächenfeuchte mittels des Infrarot-Teils, der die Abschwächung der Remission als Maß für die Feuchte heranzieht, ist weitgehend unempfindlich gegen unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten wie Textur, Faserigkeit oder Rauhigkeit. Der Grund für dieses Verhalten liegt in der Schmalbandigkeit der Filter: Die beiden Strahlungsempfänger sprechen im wesentlichen auf Wasser, ge­ nauer auf assoziierte OH-Gruppen an. Trockene, und hier inbe­ sonderen faserige, Oberflächen führen auch bei unterschiedlicher Textur zu weitgehend gleichmäßigen Remissionswerten, die erst durch das Auftreten von Wasser an der Oberfläche gedämpft werden. Weiterhin hat die Lage der zu messenden Oberfläche, d. h. die Lage der Ebene, in der sich der Beleuchtungsstrahl und die beiden Meßstrahlen schneiden, geringen Einfluß auf das Me­ ßergebnis. Eine Lageänderung der feuchten Oberfläche von 2 bis 3 mm nach oben oder unten, wie sie etwa durch unterschiedlichen Andruck des Meßkopfes (12) auf eine feuchte Windel denkbar ist, führt nur zu einer geringen Änderung des Meßwertes.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der Oberflächenfeuchtig­ keit von Proben, insbesondere Hygieneartikeln, deren flüssiges Prüfmedium eine Harnersatz-Lösung mit hoher Eigenleitfähigkeit sein kann und die eine Strahlungsquelle (ST Q) unter 45° und einen ersten Strahlungsempfänger (STE II) unter 90° zu einer Meßebene angeordnet sowie eine Einrichtung, die die Auswertung von erzielten Signalen zuläßt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (ST Q) die Probe breitbandig im infraroten Bereich bestrahlt und daß die Vorrichtung zudem einen zweiten Strahlungsempfänger (STE I), der unter 45° zur Meßebene und unter 90° zur Strahlungsquelle (ST Q) angeordnet ist, wobei der zweite Strahlungsempfänger (STE I) und der Strahlungsempfänger (STE II) Bestandteil einer Einrichtung sind, die die von der Probe remittierte Strahlung schmalbandig bei zwei verschiedenen Absorptionsmaxima von Wasser erfaßt, und eine Einrichtung, die die elektrolytische Leitfähigkeit an der Probenoberfläche (3), parallel zu der IR- Messung, über die Messung eines Sinus-Wechselstroms erfaßt, aufweist.
2. Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der Oberflächenfeuchtig­ keit von Proben, insbesondere Hygieneartikeln, deren flüssiges Prüfmedium eine Harnersatz-Lösung mit hoher Eigenleitfähigkeit sein kann und die eine Strahlungsquelle (ST Q) und einen ersten Strahlungsempfänger (STE II) sowie eine Einrichtung, die die Aus­ wertung von erzielten Signalen zuläßt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (ST Q) die Probe breitbandig im infraroten Bereich bestrahlt und daß die Vorrichtung zudem einen zweiten Strahlungsempfänger (STE I), der unter 45° zur Meßebene und unter 45° zur Strahlungsquelle (ST Q) angeordnet ist, wobei der zweite Strahlungsempfänger (STE I) und der erste Strahlungsempfänger (STE II) Bestandteil einer Einrichtung sind, die die von der Probe remittierte Strahlung schmalbandig bei zwei verschiedenen Absorpti­ onsmaxima von Wasser erfaßt, und eine Einrichtung, die die elek­ trolytische Leitfähigkeit an der Probenoberfläche (3), parallel zu der IR-Messung, über die Messung eines Sinus-Wechselstroms erfaßt, aufweist, wobei die Strahlungsquelle (ST Q) unter 90° zur Meßebene angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungsempfänger (STE II) unter 45° zur Meßebene und unter 45° zur Strahlungsquelle (ST Q) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungssensoren (4) und (5) strah­ lungsempfindliche Widerstände auf Bleisulfid-Basis verwendet wer­ den.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über ein optisches Schmalbandfilter ein­ gestellte Meßwellenlänge des zweiten Strahlungsempfängers (STE I) etwa 2,95 µm beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über ein optisches Schmalbandfiltereinge­ stellte Meßwellenlänge des ersten Strahlungsempfängers (STE II) etwa 1,94 µm beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Saphierlinse (3) zur Bündelung des Be­ leuchtungsstrahles verwendet wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Saphierlinse (7) zur Bündelung des Meß­ strahles bei 2,95 µm verwendet wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quarzglaslinse (10) zur Bündelung des Meßstrahles bei 1,95 µm verwendet wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Aufnahmegehäuse (8) und (11) Halb­ leiter-Temperaturfühler als Grundlager für eine Temperaturkompen­ sation eingesetzt werden.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein annähernd sinusförmiger Wechselstrom für die Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit einer Proben- Oberfläche verwendet wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des sinusförmigen Wechsel­ stroms für die Messung der elektrollytischen Leitfähigkeit ca. 1000 Hz beträgt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hochohmige Differenzverstärker zur Bildung eines feuchteabhängigen Spannungssignals aus den Widerstands­ meßbrücken für die PbS-Sensoren verwendet werden.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrokontroller die Aufnahme der Meß­ werte steuert.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokontroller die Meßwerte innerhalb der Einrichtung zur Auswertung speichern kann.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokontroller die gespeicherten Meß­ werte für die Weitergabe an einen PC aufbereiten kann.
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